馮 超，姜曉鋒

西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 611756

智能小車的設(shè)計(jì)與制作

馮 超，姜曉鋒

西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 611756

本項(xiàng)目以2010年國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃為課題背景，首先對(duì)智能型運(yùn)輸貨物機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行敘

述，闡述各個(gè)要素的工作原理，然后就整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)分為四個(gè)模塊，并對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和制作進(jìn)行闡述。本項(xiàng)目“智能型運(yùn)輸貨物機(jī)器人”是在一定空間和條件下自動(dòng)完成對(duì)一個(gè)設(shè)定目標(biāo)的搜索，并通過(guò)控制機(jī)器人的機(jī)械設(shè)備將其裝載到小車上，搜索過(guò)程中可檢測(cè)并躲避障礙物。本項(xiàng)目基于單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要包括四部分，即傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)。集成了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、機(jī)械控制技術(shù)、程序設(shè)計(jì)與控制、Multisim仿真軟件和PCB電路板的設(shè)計(jì)等知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了控制、檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)及軟硬件完美的結(jié)合。

機(jī)器人；單片機(jī)控制；設(shè)計(jì)；制作

1 設(shè)計(jì)任務(wù)概述

小車在無(wú)人操作的情況下可以完成循跡、避障等功能，并能檢測(cè)到金屬塊發(fā)出報(bào)警聲音。

2 系統(tǒng)方案論證與選擇

本系統(tǒng)主要由微控制器模塊、電源模塊、避障模塊、循跡傳感器模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、金屬檢測(cè)模塊、角度測(cè)量模塊，語(yǔ)音提示模塊以及液晶顯示模塊等構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如下所示：

系統(tǒng)總框圖

2.1 車體方案

小車?yán)寐膸斑M(jìn)的，比較平穩(wěn)，而且左右輪是兩個(gè)相同的電機(jī)分開(kāi)牽動(dòng)的，通過(guò)單片機(jī)控制可以利用兩邊轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。

2.2 控制模塊

采用MSP430單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)是一種16位的超低功耗的混合信號(hào)處理器。其之所以稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需要，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。MSP430單片機(jī)更適合于低功耗、高速實(shí)時(shí)控制以及數(shù)據(jù)計(jì)算，它擁有更多的片上資源供設(shè)計(jì)使用，是設(shè)計(jì)的不錯(cuò)選擇。

2.3 電源模塊

采用7.2V可充電動(dòng)力電池組。動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

2.4 電機(jī)模塊

采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便，小車電機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片。工作穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)提供，信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過(guò)L298N的輸出腳與兩個(gè)電機(jī)相連。

2.6 避障模塊

用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。

2.7 循跡模塊

當(dāng)小車在白線地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射光發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)過(guò)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管收到信號(hào)，輸出端將輸出低電平；當(dāng)小車行駛到黑線時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后，將輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)的I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到信號(hào)為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑線吸收了，表明小車在黑色的引線上；同理，當(dāng)I/O口檢測(cè)到信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。

3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 主線路板制作

在本項(xiàng)目中我們選擇了制作雙面線路板，優(yōu)點(diǎn)是可以使線路簡(jiǎn)單，容易布局布線，很適合完成基本任務(wù)后的擴(kuò)展，增加了電路板的可靠性，散熱也較好，缺點(diǎn)是增加了制作工藝。

3.2 微控制器電路的設(shè)計(jì)與原理

微控制器電路是整個(gè)智能救援小車系統(tǒng)的核心控制部分，它負(fù)責(zé)對(duì)各路傳感信號(hào)的采集、處理、分析及對(duì)各部分硬件電路進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)制作的智能救援小車系統(tǒng)以MSP430F單片機(jī)控制電路為整個(gè)系統(tǒng)的控制電路，通過(guò)各種傳感器電路，采集各種傳感器信息，以發(fā)出各種控制信號(hào)命令，來(lái)完成相應(yīng)的操作。

電源電路為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電源，是整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)采用7.2V可充電動(dòng)力電池組，可充電反復(fù)利用，動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298.L298可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照上表，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作。

3.4 避障電路的原理與設(shè)計(jì)

用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)實(shí)際發(fā)射頭與接收頭于一體的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。

3.5 循跡電路的原理與設(shè)計(jì)

采用RPR220型光電對(duì)管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，循跡電路是用以實(shí)現(xiàn)小車沿著場(chǎng)地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡BC進(jìn)行前進(jìn)和位置校正的，且小車不能偏離該軌跡。 本項(xiàng)目中采用RPR220型光電對(duì)管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，傳感器的數(shù)據(jù)線輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接，硬件電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，其靈敏度可以通過(guò)調(diào)節(jié)多圈電位調(diào)。

在循跡檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲圀w底盤(pán)的前端裝有兩個(gè)傳感器，用來(lái)檢測(cè)黑色弧形軌跡，起到循跡前進(jìn)的作用。

3.6 金屬檢測(cè)電路的原理與設(shè)計(jì)

金屬傳感器性能的好壞對(duì)于該系統(tǒng)的功能是否能實(shí)現(xiàn)，起著十分重要的作用。我們選用的是LJ12A3-4-Z/BX型號(hào)的電感式接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行金屬檢測(cè)工作，其電路原理如下圖所示，由于其數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接，硬件電路簡(jiǎn)單，容易操作。

[1]馬忠梅，等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

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1674-6708（2011）47-0178-02